搅拌摩擦加工制备高熵合金增强铝基复合材料工艺研究

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颗粒增强铝基复合材料因其质量轻、比强度和比刚度高、耐磨性好等优点广泛应用于航空航天、汽车工业和电子仪器等领域。其中涉及的增强相/基体界面结合机制及增强相对复合材料性能的影响这一科学问题受到研究者广泛关注。传统颗粒增强铝基复合材料大多采用陶瓷颗粒作为增强相,界面结合情况较差,导致复合材料的塑韧性受到严重影响。由于金属-金属间具有较好的界面润湿性及相容性,采用硬质金属颗粒作为增强相的复合材料可以实现强塑性的良好匹配。近年来,高熵合金因其独特的固溶体结构具备高强度、高硬度、耐磨性及良好的热稳定性等特点,被认为是一种良好的增强相材料。本研究选取AlCoCrFeNi_(2.1)高熵合金作为增强相,可热处理强化6061-T6铝合金为基体。为降低界面反应,采用加工温度较低的搅拌摩擦加工这一固相加工手段制备了不同体积分数的铝基复合材料,并使用T6热处理的方式对复合材料进行强化。研究了复合材料中的物相组成、增强相分布、界面结合及元素扩散情况,分析了增强相含量及热处理对复合材料力学性能和摩擦磨损性能的影响规律,探讨了复合材料的断裂类型及磨损机制,获得的主要结论如下:工艺试验研究结果表明:采用旋转速度1200rpm、加工速度80mm/min和往返加工6道次的工艺参数可以获得表面成形完好、内部无缺陷、增强相颗粒分布均匀的高熵合金颗粒增强铝基复合材料。微观组织研究发现:搅拌摩擦加工作用和增强相的阻碍作用使复合材料晶粒尺寸明显细化。复合材料中存在三种结合界面,结合界面光滑、无缺陷,基体中的Si元素在界面处有所富集。当增强相含量为15%体积分数时,复合材料晶粒尺寸为3.63μm,远小于铝合金基体的晶粒尺寸(轧制方向~200μm)。增强相与基体之间的元素扩散程度不同,导致复合材料中形成三种界面结合。热处理后发现,尺寸较小的增强相颗粒部分发生分解。力学性能研究表明:增加增强相含量和进行时效热处理,均有助于提升复合材料硬度和抗拉强度。当增强相含量为15%体积分数时,复合材料硬度和抗拉强度分别为72HV和222.9MPa,相比于未添加颗粒增强的FSPed-6061,硬度提升了28.6%,抗拉强度提升了25.4%。T6时效热处理后,15%-AMCs-T6的硬度达到125HV,抗拉强度为332.1MPa。摩擦磨损性能研究表明:搅拌摩擦加工降低了铝合金母材耐磨性能;增强相加入和T6热处理均有助于改善材料摩擦磨损性能。热处理后的15%-AMCs复合材料的磨损量为8.3mg,较铝合金基体降低了37.7%。基体、FSPed-6061和15%-AMCs在摩擦磨损过程中发生塑性变形,磨损机制分别为剥层磨损 磨粒磨损,严重的剥层磨损,粘着磨损 磨粒磨损;15%-AMCs-T6塑性变形较少,磨损机制主要为磨粒磨损。
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